63
PENENTUAN NILAI ENERGY GAP LAPISAN TIPIS TiO2/C DENGAN MENGGUNAKAN METODE TOUC PLOT
Agus1, Helga Dwi Fahyuan1, Damris M2 1
Program Studi Fisika, Universitas Jambi, Jambi, Indonesia
2
Program Studi Kimia, Universitas Jambi, Jambi, Indonesia Email: agussontak0809@gmail.com
Abstrak
Telah dilakukan penelitian tentang penentuan nilai energy gap TiO2/C dengan menggunakan metode Touc Plot. Tujuan dari penelitian ini adalah untuk megetahui pengaruh penambahan persen doping C terhadap energy gap pada TiO2. Pada penelitian ini dilakukan variasi persen doping C terhadap TiO2 sebesar 0, 0,2, 0.4, dan 0,6%. Untuk memperoleh nilai energy gap dari TiO2/C dilakukan uji transmitansi menggunakan Spektrofotometer UV-Vis. Data transmitansi tesebut diolah menggunakan persamaan swanepoel untuk menentukan indeks bias dan ketebalan lapisan tipis dari TiO2/C yang digunakan untuk menentukan nilai energy gap dengan menggunakan metode touc plot, dan diperoleh nilai energy gap masing-masing variasi doping sebesar 3.2, 2.60, 2.77, 3.0 eV. Penambahan doping C pada TiO2 dapat menurunkan energy gap dari TiO2. Tetapi untuk persen doping 0.6%, energy gap meningkat dari 0.2 dan 0.4%
Kata Kunci: TiO2/C, Swanepoel, Energy Gap
PENDAHULUAN
Titanium Dioksida (TiO2) adalah senyawa
dengan formula TiO2 yang berbentuk bubuk,
berwarna putih. TiO2 merupakan salah satu
bahan semikonduktor yang dapat diaplikasikan untuk sel surya, sensor gas, dan fotokatalis (Hendri, 2014). TiO2 memiliki nilai energy gap
yang cukup lebar yaitu 3,2-3,8 eV (Redecka,
2008), besarnya nilai energy gap tersebut
menyebabkan aktifitas fotokatalis dari TiO2 tidak
maksimal. TiO2 memiliki rentang panjang
gelombang 200-400 nm, dimana panjang gelombang tersebut hanya aktif pada spectrum sinar UV dan hanya mampu menyerap cahaya matahari sebesar 5%. Untuk mengefektifkan 95% penyerapan cahaya matahari harus berada pada area cahaya tampak (visible), dimana cahaya tampak berada pada rentang
panjang gelombang 400-800 nm. Maka perlu dilakukan usaha untuk memperkecil nilai energy
gap TiO2 sehingga memperbesar penyerapan
rentang penyerapan cahaya matahari, salah
satu caranya adalah dilakukannya
pendopingan. Doping adalah sebagai
penambahan pengotor pada material dengan
tujuan untuk memodifikasi karakteristik
elektroniknya (Kusumanigrum, dkk., 2011). Bahan yang umum digunakan sebagai doping TiO2 adalah N, CuO, ZnO, C, Ag, Au, Fe, S, P.
Pada penelitian ini TiO2 akan didoping dengan
Karbon (C), dimana C paling efektif karena ukurannya yang tidak jauh berbeda dengan
oksigen dan ionisasinya yang kecil. TiO2
didoping C lebih menjanjikan dibandingkan dengan atom lainnya karena memiliki ukuran atom yang mirip dengan O serta memperbaiki sifat optik dari TiO2 sehingga dapat menurunkan
nilai energi gap. Berdasarkan penelitian Mai dkk (2009) telah dilakukan variasi persen doping C terhadap TiO2 yaitu 0%, 0,1%, 0,2%, dan 0,3%.
64
Hasil terbaik pada variasi persen doping C 0,3% yaitu 2,87 eV. Oleh karena itu, pada penelitian ini dilakukan variasi penambahan persen doping C terhadap TiO2 0%, 0,2%, 0,4%,dan
0,6%.
Dalam pembuatan lapisan tipis ini banyak teknik yang biasa digunakan seperti:
spray solution, doctor blade, magneton
sputtering, Chemical Deposition Solution (CDS),
dan spin coating. Dari teknik-teknik tersebut,
teknik yang digunakan pada penelitian ini adalah
spin coating. Teknik ini dipilih karena memiliki
keunggulan dari pada teknik lainnya baik dari segi hasil yang merata maupun langkah kerja yang mudah (Dewi,2017). Untuk penentuan
energy gap, pada penelitian ini menggunakan
metode Tauc Plot (Bilalodin, 2012).
METODOLOGI PENELITIAN
A. Bahan dan Peralatan
Alat yang digunakan dalam penelitian ini adalah pisau mata intan, penggaris, pinset, spin
coating, gunting, doubletip, sarung tangan karet,
masker, timbang analitik, Hote Plate, gelas Beaker, magnetic stirrer, pipet tetes, tabung reaksi, spatula, batang pengaduk, selotip, hair
dryer, kaca preparat, furnace Vulcan dan
Spektrofotometer UV-Vis. Adapun bahan yang digunakan adalah C, TiO2, aquades.
B. Preparasi Substrat Kaca Preparat
Substrat kaca preparat dipotong dengan ukuran 5 x 5 cm menggunakan pisau mata intan. Substrat kemudian dibersihkan dengan deterjen untuk menghilangkan kotoran berupa minyak dan kotoran yang menempel pada substrat. Setelah dibersihan selanjutnya dikeringkan dengan menggunakan hair drayer. Selanjutnya substrat dicuci kembali dengan menggunakan alkohol 70% dan dikeringkan kembali dengan
menggunakan hair drayer hingga benar-benar
kering.
C. Sintesis TiO2/C
Sebanyak 2 gr TiO2 dilarutkan kedalam
100 mL aquades kemudian diaduk dengan
magnetik stirrer pada suhu 80°C selama 20
menit. Selama pengadukan gelas ukur ditutup
dengan aluminium foil untuk mengurangi
penguapan. Selanjutnya, serbuk C ditambahkan dengan variasi persen doping 0, 0,2, 0,4, dan
0,6% lalu diaduk kembali dengan magnetik
stirrer selama 2 jam dan ditutup kembali dengan
aluminium foil. Larutan kemudian disimpan di
dalam botol tertutup.
D. Pedeposisian Lapisan TiO2/C
Kaca terlebih dahulu diberi pembatas luar
di semua sisi menggunakan selotip.
Penumbuhan lapisan tipis menggunakan metode sol gel dengan teknik spin coating. Substrat yang telah diberi pembatas diletakan pada
piringan spin coating yang telah ditempel
dengan menggunakan doubletip, kemudian
ditetesi larutan TiO2/C sebanyak 3 tetes.
Kemudian dilakukan pemutaran spin coating
dengan setting kecepatan putar 1500 rpm
selama 30 detik dengan jeda 60 detik.
E. Analisa dan Karakterisasi Lapisan Tipis TiO2/C
Lapisan tipis yang telah diperoleh
selanjutnya diuji sifat optiknya dengan
menggunakan UV-Vis. Pengujian ini bertujuan
untuk memperoleh nilai transmitansi dan
kemudian diolah dengan persamaan Swanepoul
menggunakan metode Touch Plot pada aplikasi
ORIGIN untuk mendapatkan nilai energy gap
dari masing-masing sampel (Bilalodin 2012).
2 1 2 2 2 1 2 1 s s n Tm TM Tm TM n N ……..(1)
Dimana ns menyatakan indeks bias kaca, TM
adalah tranmitansi maksimum, dan Tm adalah
transmitansi minimum.
65
HASIL DAN PEMBAHASANPenentuan Energy Gap
Pada penelitian ini dilakukan pengambilan data transmitansi dengan panjang gelombang 200-800 nm untuk melihat sifat optik TiO2/C.
Data transmitansi tersebut akan diolah
menggunakan persamaan Swanepoul untuk
menentukan indeks bias dan ketebalan lapisan tipis dari TiO2/C yang mana nantinya dapat
digunakan untuk menentukan energy gap TiO2/C
menggunakan metode Tauc Plot. Metode Tauc
Plot yaitu dengan menarik ekstrapolasi pada
daerah linier dari kurva hubungan (hv) sebagai
absis dan (ahv) sebagai ordinat hingga
memotong sumbu energi. Hasil karakterisasi UV-Vis berupa transmitansi terhadap panjang gelombang ter lihat pada Gambar 1.
Gambar 1.Transmitansi Lapisan TiO2/C
Gambar 1 menunjukan adanya perubahan transmitansi lapisan tipis TiO2 dengan variasi
doping C. Pada sampel TiO2/C 0% diperoleh
TM1, TM2, Tm1, Tm2 adalah 0.450, 0.267, 0.160,
0.234 dengan panjang gelombang TM1 dan TM2
adalah 550 nm dan 350 nm. Pada sampel
TiO2/C 0,2% data transmitansi mengalami
penurunan dari 0,450 menjadi 0,163. Tetapi rentang penyerapan terhadap cahaya matahari pada sampel ini meningkat pada panjang gelombang dari 550-800 nm. Peningkatan yang terjadi pada panjang gelombang tersebut akan meningkatkan proses aktivitas fotokatalis pada sinar tampak. Penurunan data transmitansi ini
disebabkan adanya doping C terhadap TiO2.
Semangkin tinggi persen doping C yang
diberikan terhadap TiO2 maka semakin
menurunkan nilai dari transmitansinya. Hal tersebut dikarenakan banyaknya atom-atom yang terlibat di dalam proses penyerapan berkas cahaya (Kusumanigrum, dkk, 2011). Hal ini juga terjadi pada persen doping C 0,4% dan 0,6% yang mana data transmitansi yang dihasilkan juga mengalami penurunan menjadi 0,13 dan 0,077.
66
Gambar 2. Energy Gap TiO2/C (a) 0% (b)0,2% (c) 0,4% dan (d) 0,6%
Gambar 2 menunjukan hubungan antara
energy gap (ℎ𝑣) terhadap koefisien yang
diserap pada foton (𝛼ℎ𝑣2) sebagai ordinat hingga memotong sumbu energi sehingga diperoleh nilai energy gap. Variabel bebas dinyatakan oleh sumbu-X sedangkan sumbu-Y menyatakan variabel terikat. Perubahan nilai
𝛼ℎ𝑣2
disebabkan oleh nilai transmitansi yang diperoleh. Semakin kecil nilai transmitansi maka
𝛼ℎ𝑣2 yang dihasilkan akan semakin besar. Nilai
ℎ𝑣 pada sumbu-X dipengaruhi oleh panjang
gelombang, yaitu 200-800 nm. Nilai energy gap
untuk semua sampel lapisan tipis dapat di lihat pada Tabel 1.
Tabel 1. Nilai energy gap lapisan tipis TiO2/C.
Lapisan Tipis TiO2/C Energy gap(eV)
0% 0,2% 0,4% 0,6% 3,2 2,60 2,77 3,0
Pada Tabel 1 dapat dilihat dari hasil
pengukuran untuk energy gap TiO2/C 0%,
diperoleh Eg sebesar 3,2 eV. Nilai energy gap sangat cocok dengan nilai energy gap TiO2 di
literatur, yaitu 3,2-3,8 eV (Redecka, 2008).
Secara keseluruhan dengan penambahan
doping C pada TiO2, terjadi penurunan Eg dari
TiO2, yaitu 2,60 untuk TiO2/C 0,2%, 2,77 untuk
TiO2/C 0,4%, dan 3,0 untuk TiO2/C 0,6%.
Penurunan Eg yang paling optimal diperoleh pada penambahan doping 0,2% yaitu 2,60. Hal
tersebut disebabkan karena terjadinya
penyempitan pita energi. Peyempitan pita energi ini disebabkan oleh munculnya level energi baru antara pita valensi dan pita konduksi yang disebabkan adanya doping karbon, level energi baru tersebut terletak sedikit diatas pita valensi
(Morikawa dkk., 2003). Sedangkan untuk TiO2/C
0,4% terjadi sedikit kenaikan Eg dari TiO2/C
0,2%, dan untuk TiO2/C 0,6%, terjadi kenaikan
Eg sebesar 3,0 eV. Kenaikan Eg pada
penambahan doping 0,4 dan 0,6 % tersebut dikarenakan penambahan doping yang telah melebihi batas maksimum. Hal ini juga dialami oleh Wang (2005) yang melakukan doping 0%, 0,3%, 0,5% dan 0,7% terhadap TiO2/C. Hasil
yang didapatkan ialah nilai energy gap
mengalami penurunan pada 0,3% dan 0,5%, sedangkan pada 0,7% kembali mengalami kenaikan nilai pita energi. Selain itu Zhou (2012)
juga melakukan penelitian TiO2/C dengan
persen doping 0,1%, 0,3% dan 0,6%. Hasil yang didapatkan ialah nilai energy gap mengalami penurunan untuk sampel 0,1% dan 0,3%
sedangkan pada sampel TiO2/C 0,6%
67
KESIMPULANLapisan tipis TiO2/C yang dihitung
menggunakan persamaan Swanepoel dengan
variasi doping C terhadap TiO2 sebesar 0, 0.2,
0.4, dan 0.6% energi gap yang dihasilkan
sebesar 3.2, 2.66, 2.77, dan 3.0 eV.
Penambahan doping C pada TiO2 dapat
menurunkan energi gap dari TiO2/C.
SARAN
Perlu dilakukannya penambahan bahan PVA supaya pada saat spin coating agar hasil yang didapatkan merata dan Perlu dilakukan uji TEM untuk melihat struktur atom yang terdapat pada lapisan tipis TiO2/C.
UCAPAN TERIMA KASIH
Terima kasih kepada Bapak Damris pembimbing utama, dan Ibu Helga Dwi Fahyuan selaku pembimbing pendamping yang telah banyak membantu saya dan memberi saran serta nasehat dalam proses penelitian maupun penulisan skripsi.
DAFTAR PUSTAKA
Bilalodin. 2012. Pembuatan dan Penentuan Celah Pita Optik Film Tipis TiO2.
Purwokerto. Jurnal Prosiding
Pertemuan Ilmiah XXVI HFI Jateng & DIY:86-89
Dewi, WidiyoIko Suryo .2017. Studi Optimasi
Pengaruh Perubahan Konsentrasi
Terhadap Kecepatan Putar Spin
Coating Pada Penumbuhan Membran Polyvinyl Alcohol (PVA) Di Atas
Elektroda Platinum (Pt) (skripsi).
Surakarta: Universitas Sebelas Maret. Hendri, A., 2014. Rancang Bangun Alat Spin
Coating Sederhana Untuk
Penumbuhan Lapisan Tipis
Semikonduktor. Padang : UPI
Kusumanigrum, J., dkk. 2011. Adsorpsi Fenol dengan TiO2/Ziolit Artificial Berbahan
Dasar Sekam Padi dan Limbah Kertas.
Jurnal Kimia Sains dan Aplikasi, 14,1 26-31
Mai, L., dkk. 2009. Effect of C Doping on the Structural and Optical Properties of Sol Gel TiO2 thin Films. Applied Surface Science 255 (2009) 9285-9289.
Morikawa, T., dkk. 2003. Visible light
photocatalys nitrogen doped titanium dioxide, R & D Review of Toyota
CRDL. 40(3): 45-49
Wang, D., dkk. 2005. Synthesis and
Characterization of anatase TiO2
nanotubes with unform diameter from
titanium powder. Material Letter,
62,1819-1822.
Zhao, Q., dkk. 2012. Facile Fabrication,
Characterization, and enhanced
Photoelectrocatalytic degradation
performance of Highly Oriented TiO
Nanotube array. Journal of
Nanoparticle Research, 11, 2153-2162.
